Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
2.2.1. Источники излучения на основе люминесценции
срок службы люминесцентных ламп достигает 6000–10000 час
•
(ЭЛН – 250–300 час).
Среди недостатков следует отметить невозможность прямого
включения в промышленную электрическую сеть. Для зажигания ламп
требуется специальная пускорегулирующая аппаратура, состоящая из
нескольких электротехнических элементов: дроссельная катушка, стабилизирующая газовый разряд, газоразрядный размыкатель (стартер),
необходимый для начального разогрева вольфрамовых электродов –
спирали, искрогасящие конденсаторы.
В практике уличного освещения, а также цехов промышленных
предприятий нашли применение ртутно-кварцевые люминесцентные
лампы. Первичным источником излучения в этих лампах является
ртутная лампа дугового разряда высокого давления в кварцевой колбе.
Этот источник помещен в стеклянный баллон, на внутренние стенки
которого нанесен слой люминофора.
Такие лампы типа ДРЛ (дуговые ртутные люминесцентные) могут
иметь мощность от 100 до 1000 Вт. Существуют еще лампы типа ДРТ
(дуговые ртутные трубчатые), ДРШ (дуговые ртутные шаровые).
Не менее популярны лампы, в наполнение которых дополнительно
к парам ртути вводят галогениды разных металлов – металлогалогенные. Варьируя наполнение, можно в широких пределах менять спектр
излучения и получать хорошую цветопередачу при высокой световой
отдаче (ДРИ – дуговые ртутные с излучающими добавками).
Электролюминесценция. Этот тип люминесценции также имеет
большое практическое значение, поскольку широко используется в
источниках излучения. При этом рассматривают два вида электролюминесцентных явлений: свечение электрических разрядов в газах и
электролюминесценцию твердых тел.
Свечение электрических разрядов в газах. В качестве светящегося
тела в источниках на электрических разрядах в газах используются:
тлеющий разряд – разряд в инертных газах в протяженных сте-
•
клянных трубках при низком давлении: светящаяся реклама, ртутные
бактерицидные лампы;
дуговой разряд – • натриевые лампы высокого давления – мощные
лампы с наибольшей к настоящему времени световой отдачей:
свыше 100 лм · Вт
давления дают преимущественно сплошной спектр – в видимой
области близкий к солнечному;
импульсный сильноточный разряд в ксеноне (фотография, сиг-
•
нализация, источники УФ и др.).
–1
; ксеноновые лампы высокого и сверхвысокого
31
2.3. Естественные источники излучения
Газоразрядные лампы как источники излучения в несколько раз
превосходят по ряду параметров лампы накаливания. У них намного
выше светоотдача и сроки службы. Спектральный состав позволяет в
большей мере приблизиться к естественному (дневному) освещению и
обеспечить хорошую цветопередачу. Посредством выбора наполнения
и режима работы можно сосредоточить основную долю излучения в
желательной области спектра, что совершенно недостижимо для ламп
накаливания. Эти лампы могут работать в импульсном режиме.
Электролюминесценция твердых тел. Примером использования
электролюминесценции твердых тел для целей создания источников
излучения стала техника светоизлучающих диодов.
Светоизлучающие диоды – полупроводниковые приборы, излучение
которых происходит за счет инжекционной рекомбинации в областях
контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.
В области, где осуществляется р-n переход, приложением внешнего
напряжения снимается потенциальный барьер и происходит инжекция носителей противоположного заряда. В результате рекомбинации
зарядов происходит высвечивание фотонов.
Светоизлучающие диоды имеют высокий КПД, хорошие эксплуатационные характеристики, но, по сравнению с рассматриваемыми
ранее источниками излучения, существенно меньшую мощность.
Поэтому сфера их применения пока ограничена системами отображения информации, связи и т. п. Наиболее известными соединениями
для светодиодов являются GaP, GaAs, имеющие максимум свечения
в красной (0,7 мкм) и инфракрасной (0,9–1,0 мкм) областях спектра.
Однако в последнее время стали появляться светодиодные излучатели
в видимой и УФ-областях спектра.
2.3. Естественные источники излучения
Солнце. На Солнце в зависимости от характера излучае-
мой энергии различают фотосферу, обращающий слой, хромосферу и
корону.
Фотосфера – основной источник солнечного излучения с непрерывным спектром.
Обращающий слой и хромосфера образуют атмосферу солнца. Они
состоят из светящихся газов, яркость которых в сотни раз меньше
яркости фотосферы.
Корона – внешняя часть солнечной атмосферы (не имеет четкой
наружной границы). Ее яркость в миллион раз меньше яркости фотосферы и не превышает яркости Луны в полнолуние (наблюдать корону
можно при полном солнечном затмении).
32
2.4.1. Свойства лазерного излучения
Рис. 2.3. Спектр излучения Солнца:
1 – за пределами атмосферы; 2 – на уровне моря
На характеристики излучения Солнца влияют солнечные пятна,
периодичность появления которых равна 11 годам, а также нестационарные явления на поверхности и в фотосфере.
Спектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения черного тела с Т = 6000 К.
Энергетическая светимость с поверхности составляет около
6 · 107 Вт/м2 (рис. 2.3).
До поверхности Земли от Солнца через атмосферу доходит излучение в области от 0,3 до 3,0 мкм с полосами поглощения, опрделяемыми
содержащимися в атмосфере парами воды, СО2, О2, О3.
В приземных слоях атмосферы излучение Солнца эквивалентно
черному телу с Т = 5600 К.
Энергетическая освещенность, создаваемая Солнцем в перпендикулярном к Земле направлении, составляет:
вне земной атмосферы 1300–1500 Вт/м2;
на поверхности Земли 600–900 Вт/м2.
В видимой области спектра за пределами атмосферы освещенность
около 100 000 лк.
2.4. Лазеры и лазерное излучение
2.4.1. Свойства лазерного излучения. Как известно, лазеры –
это приборы квантовой электроники, использующие явления усиления
и генерации электромагнитного излучения, происходящие в термодинамически неравновесных квантовых системах за счет реализации эффекта
индуцированного (вынужденного) излучения. Дословно, лазер – это
аббревиатура от английских слов: Light Amplificated by Stimulated Emission of Radiation (усиление света за счет индуцированного излучения).
33
2.4. Лазеры и лазерное излучение
2
Квантовая электроника – раздел электроники – область физики,
изучающая явления, связанные со свойствами и поведением заряженных частиц и их взаимодействием с электромагнитным излучением, в
котором фундаментальную роль играют явления квантового характера
и главенствующую роль – физика лазеров. Квантовые системы характеризуются дискретностью (квантованием) состояний энергии и являются
предметом изучения фундаментальной науки – квантовой физики.
Широкое внедрение и использование этих приборов в научных
исследованиях, технологических процессах и приборостроении объясняется уникальными свойствами генерируемого ими оптического
излучения, практически не достижимыми никакими другими типами
источников или излучателей. Это высокая степень концентрации
световой энергии в очень узком телесном угле и малом спектральном
интервале, т. е. высокая направленность и монохроматичность излучения.
Это способность концентрировать большую энергию в чрезвычайно
малых отрезках времени и уникальными свойствами, связанными с
когерентностью лазерного излучения.
2.4.2. Квантовые состояния. Предположение о квантовом
характере излучения и поглощения энергии физическими телами впервые было выдвинуто Максом Планком (1900 г.) при выводе уравнения
излучения абсолютно черного тела (см. глава 2, с. 24).
Для получения теоретического выражения зависимости интенсивности излучения теплового излучателя от длины волны и температуры
М.Планк должен был отказаться от классических представлений и
сделать предположение, смысл которого заключался в следующем:
«...Осциллятор (колеблющийся заряд), совершающий свободные колебания с частотой , может получать или отдавать энергию порциями,
величина которой равна E = h».
Математически Планк заменил процесс интегрирования по непрерывному спектру энергии
дискретным величинам энергии
ская формула распределения интегральной плотности энергии
излучения а. ч. т. в зависимости от частоты:
веденная на основе классической физики Рэлеем и Джинсом,
расходящаяся с экспериментом на больших частотах (
при vпревращалась в формулу
получила название формула Планка.
процессом суммирования
0
E = nh. Например, классиче-
() ( )
34
() ( )kT
h
3
h
с
kT
e
m 0
2
, вы-
3
с
(v)
, которая
1
по
2.4.3. Квантовые переходы
При h получаем классическое выражение формулы Рэлея – Джинса.
Итак, внутренняя энергия частиц (атомов, молекул, ионов) «квантована», т. е. может принимать ряд определенных дискретных значений,
называемых энергетическими состояниями или энергетическими уровнями.
Обычно распределение энергетических состояний представляют в виде
диаграммы – набор горизонтальных линий, расположенных друг над
другом. Самый нижний энергетический уровень называется основным,
характеризующим невозбужденное состояние. Все остальные энергетические уровни соответствуют более высокой внутренней энергии
частицы и возбужденным состояниям.
2.4.3. Квантовые переходы. Когда говорят, что частица перешла с одного энергетического уровня на другой, то имеют в виду, что
внутренняя энергия частицы изменилась на величину, равную разности
энергий этих энергетических уровней (Е) (схема 3).
Схема 3
При переходе на более высокий уровень частица поглощает
энергию, а при переходе на более низкий – отдает. Такие переходы
могут быть как сопровождающиеся излучением – излучательные, так
и не сопровождающиеся излучением – безизлучательные. В последнем
случае разница в энергии двух уровней поглощается или выделяется без участия электромагнитного излучения, т. е. осуществляется
переход в кинетическую энергию частиц, образование химических
реакций и др.
Излучательные переходы могут быть спонтанными (самопроизвольными) и индуцированными (вынужденными).
В случае спонтанного процесса атом, находящийся в одном из возбужденных состояний 2, через некоторое время (время излучательного
перехода – порядка 10
–9
–10–8 с) спонтанно – без участия внешнего
воздействия – перейдет на более нижний энергетический уровень 1,
испуская при этом фотон с энергией, равной разности энергий между
этими уровнями:
35
2.4. Лазеры и лазерное излучение
Е2 – Е1 = h. [2.12]
Процесс спонтанного излучения является эффектом принципиально
квантовым, не допускающим классической трактовки, и носит вероятностный характер (впрочем, как и все явления в квантовой физике).
Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии, поскольку
такое состояние является неустойчивым энергетически (с точки зрения
квантовой физики, с точки зрения классической физики состояние,
обладающее большей энергией по отношению к некоторому основному
устойчивому состоянию при отсутствии внешних воздействий, может
существовать бесконечно долго).
В этом случае говорят о вероятности спонтанного перехода с одного уровня на другой (W), которая и определяет время ( спонтанного
(излучательного) перехода:
Если рассматривать не одну, а много частиц, то при спонтанном
переходе различные частицы излучают энергию неодновременно и независимо, поэтому фазы излучаемых ими фотонов не связаны между
собой. Направление распространения излучаемых фотонов и их поляризация тоже носят случайный характер, а частота переходов колеблется
в некоторых пределах, определяемых соотношением неопределенности.
В результате спонтанное излучение – это своего рода «собственный
шум» квантовой системы: оно ненаправлено, неполяризовано и немонохроматично.
В случае индуцированных (вынужденных) процессов происходит
взаимодействие квантовой системы с внешним электромагнитным
полем. При этом квантовая система под действием внешнего электромагнитного поля может переводиться из одного энергетического состояния в другое:
с поглощением энергии электромагнитного поля – переход с
•
нижнего уровня на верхний на диаграмме уровней);
с излучением электромагнитной энергии – переход с верхнего на
•
нижний уровень (на существование стимулированного излучения
впервые указал А. Эйнштейн в 1918 г.).
Индуцированные процессы, сопровождающиеся переходом квантовой системы в более высокое энергетическое состояние, называются
резонансным поглощением или просто поглощением. «Резонансность»
процесса заключается в том, что вероятность переходов отлична от нуля
только в том случае, если энергия кванта внешнего поля h совпадает
с разностью энергий двух рассматриваемых изолированных состояний
системы: Еm – Еn = h.
W
1
.
36
2.4.3. Квантовые переходы
Для индуцированных процессов излучения (где также должно соблюдаться правило резонансности) характерно увеличение вероятности
излучения кванта энергии частицей. Это дополнительное излучение под
действием внешнего электромагнитного поля обладает очень важным
свойством: частота, поляризация и направление распространения такого
излучения полностью совпадают с перечисленными характеристиками
квантов внешнего электромагнитного поля. Другими словами, кванты
электромагнитного поля, излученные при индуцированных переходах,
полностью тождественны квантам поля, вызвавшим эти переходы
(т. е. они неразличимы). Если бы в системе взаимодействующих излучения и вещества процессы вынужденного излучения преобладали над
процессами поглощения и спонтанного излучения, то это привело бы
к тому, что проходящий через вещество поток излучения усиливался,
не меняя при этом ни направления распространения, ни поляризации,
ни фазы. Таким образом, вынужденное излучение можно рассматривать
как отрицательное поглощение.
Понятия спонтанного и индуцированного излучения впервые
ввел в физику А. Эйнштейн, поэтому использующиеся при описании
процессов спонтанного излучения, поглощения и индуцированного
излучения коэффициенты А
, В12, В
21
носят название коэффициенты
21
Эйнштейна (здесь и в дальнейшем индекс 1 – уровень с меньшей
энергией, индекс 2 – с большей; порядок индексов 1 и 2 указывает
направление перехода).
В квантовой физике оперируют понятием населенностей уровней –
количество атомов, находящихся на энергетическом уровне. Поскольку
вероятности актов вынужденного излучения и поглощения равны,
то числа актов излучения и поглощения пропорциональны числам
населенностей уровней. В обычных термодинамически равновесных
условиях населенность основного уровня или более нижнего (по энергетической диаграмме) всегда больше населенностей возбужденных и,
следовательно, процесс «положительного» поглощения преобладает
над «отрицательным».
В равновесных условиях распределение частиц по уровням
g
m
определяется по закону Больцмана:
NNe
mn
g
n
E
–
kT
,
где Nm – концентрация атомов на верхнем уровне,
N
– концентрация атомов на нижнем уровне,
n
E – разность энергии между ними,
g
, gn – статистические веса уровней, т. е. число разрешен-
m
ных энергетических состояний на этих уровнях.
37
2.4. Лазеры и лазерное излучение
Согласно этому распределению, заселенности верхних уровней много меньше (exp-зависимость) населенностей нижних
N
Nn.
m
Для того чтобы наблюдать вынужденное излучение («отрицательное» поглощение) необходимо в квантовой системе создать инверсную
(обращенную) населенность по отношению к равновесной. То есть необходимо добиться того, чтобы, в отличие от распределения по формуле
Больцмана, число возбужденных атомов на каком-либо энергетическом
уровне в системе было больше числа атомов на более низком энергетическом уровне Nm Nn.
2.4.4. Вероятности квантовых переходов (коэффициенты Эйн-
штейна). Рассмотрим процессы взаимодействия излучения с квантовой
системой, имеющей два энергетических состояния 1 и 2 с энергиями
Е2 Е1. Уровни 1 и 2 могут быть любыми из неограниченного набора
энергетических состояний вещества.
Предположим, что атом находится в состоянии 2 (cхема 4). Поскольку Е2 Е1 , то атом будет стремиться перейти на уровень 1, при
этом из атома должна выделиться соответствующая разность энергий
Е2 – Е1.
Схема 4
Если энергия высвобождается в виде электромагнитного излучения,
процесс называется спонтанным излучением. При этом частота электромагнитного излучения определяется формулой Планка:
EE
21
сп
. [2.13]
h
Высвобождение энергии в виде электромагнитного излучения не
единственный путь, возможны и безизлучательные переходы.
Вероятность спонтанного излучения в квантовой системе определяется следующим: если в момент времени t на уровне 2 находилось
N2 атомов (населенность энергетического уровня в единице объема),
сп
dN
то скорость перехода
N2 и вероятности спонтанного испускания излучения W21:
2
на уровень 1 очевидно пропорциональна
dt
38
2.4.4. Вероятности квантовых переходов (коэффициенты Эйнштейна)
сп
dN
2
dt
. [2.14]
WN
21 2
Вероятность самопроизвольного перехода частицы из верхнего
состояния в нижнее пропорциональна времени. За время dt эта вероятность составляет
сп
dW
= А21dt. [2.15]
Таким образом, вероятность спонтанного испускания излучения в
единицу времени постоянна и равна коэффициенту A:
dWсп = А21. [2.16]
Коэффициент A21 называется коэффициентом Эйнштейна для
спонтанных переходов. Величина, обратная коэффициенту A21 –
называется спонтанным временем жизни:
1
сп
.
А
21
1
А
21
Поскольку сп · A21 = 1, то чем меньше вероятность, тем больше
время жизни. Спонтанное излучение описывает процесс самопроизвольного перехода частицы из верхнего состояния в нижнее. Самопроизвольных переходов снизу вверх не бывает (точнее, вероятность
их крайне мала).
Предположим, что на вещество падает электромагнитная волна
(схема 5) с частотой
скольку
= сп, то существует конечная вероятность, что падающая
пад
, равной частоте спонтанного перехода сп. По-
пад
волна вызовет переход 2 1.
,
Схема 5
Разность энергий Е2 – Е1, при условии, что уровень 2 заселен,
выделится в виде электромагнитной волны, которая добавится к падающей. В результате мы получим вынужденное (индуцированное) излу-
чение. Выражение для скорости вынужденных переходов 2 1 будет
выглядеть как:
инд
dN
2
dt
. [2.17]
WN
21 2
Как видно, выражения для скоростей спонтанных [2.14] и вынужденных (индуцированных) [2.17] переходов идентичны, однако в
39
2.4. Лазеры и лазерное излучение
случае вынужденных процессов W21 зависит еще от интенсивности
падающей волны или от спектральной объемной плотности энергии
внешнего поля v:
W
= B21 , [2.18]
21
где B21 – коэффициент Эйнштейна для индуцированных переходов.
Кванты индуцированного излучения оказываются абсолютно тождественны квантам электромагнитного поля, вызвавшего этот процесс,
т. е. они имеют одинаковое направление, поляризацию и фазу.
Предположим, что атом находится на уровне 1 (cхема 6). На вещество падает электромагнитная волна с частотой
Схема 6
пад
.
В таком случае существует конечная вероятность того, что атом
перейдет на верхний уровень 2. Разность энергий Е2 – Е1 для этого
перехода берется из энергии падающей волны, т. е. происходит процесс
поглощения электромагнитной волны или процесс индуцированного
перехода с поглощением энергии электромагнитной волны. Поэтому
выражение для скорости этих переходов можно записать:
инд
dN
1
dt
и W12 N1 = B12 . [2.19]
WN
12 1
В результате два последних процесса, связанные с явлениями
взаимодействия электромагнитного поля и вещества, являются индуцированными, а коэффициенты B12 и B21 – коэффициенты Эйнштейна
для индуцированного поглощения и излучения соответственно. Можно
показать, что B12 = B21 – первое соотношение Эйнштейна.
Связь этих коэффициентов с A21 осуществляется через выражение
3
8Ah
21
B
21
– второе соотношение Эйнштейна.
3
c
2.4.5. Условия усиления. Рассмотрим изолированный объем
среды, заполненный частицами, и два произвольных энергетических
уровня 1 (E1) и 2 (E2) с соответствующими населенностями на них N
и N2 (схема 7). В этой среде в направлении оси x распространяется
1
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]